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Dokumentenidentifikation DE19511267C1 18.04.1996
Titel Vorrichtung zur Drehzahlregelung in einer schlingengeregelten Walzstraße
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Müller, Matthias, Dr.-Ing., 91054 Buckenhof, DE
DE-Anmeldedatum 27.03.1995
DE-Aktenzeichen 19511267
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 18.04.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.04.1996
IPC-Hauptklasse B21B 37/50
IPC-Nebenklasse B21B 41/00   
Zusammenfassung In einer schlingengeregelten Walzstraße wird das Walzgut über Schlingenheber zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Walzgerüsten in Schlingen geführt. Die Schlingenlage wird mittels eines Lagereglers geregelt, der auf einen Drehzahlregler für das jeweilige Walzgerüst wirkt.
Zur Verbesserung der Schlingenregelung ist dem Regelkreis des Lagereglers (10) ein Geschwindigkeitsregelkreis (Geschwindigkeitsregler 11) unterlagert, der die Lageänderungsgeschwindigkeit der Schlinge regelt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehzahlregelung in einer schlingengeregelten Walzstraße, in der das Walzgut über Schlingenheber zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Walzgerüsten in Schlingen geführt ist, mit jeweils einem Lageregler zur Regelung der Schlingenlage, der auf einen Drehzahlregler für das jeweils zugeordnete Walzgerüst wirkt.

Bei einer derartigen, aus der Siemens-Zeitschrift 47 (1973) Beiheft "Antriebstechnik und Prozeßautomatisierung in Hütten- und Walzwerken", Seiten 87 bis 89, bekannten Vorrichtung wird das Walzgut zwischen den Gerüsten einer Walzstraße über Schlingenheber in Schlingen geführt. Die damit einhergehende Verlängerung der Walzgutabschnitte gegenüber der jeweils kürzesten Verbindung zwischen den Gerüsten wird als Bandvorrat bezeichnet. Bei Störungen des Materialflusses können somit Zugänderungen im Walzgut durch vorübergehendes Vergrößern oder Verringern des Bandvorrates ausgeglichen werden. Das Walzen mit konstantem Zug im Walzgut wird durch Zusammenwirken einer Steuerung des Drehmoments der Schlingenheber und einer Schlingenregelung erreicht, bei der ein Lageregler zur Regelung der Schlingenlage auf einen Drehzahlregler für das vor dem jeweiligen Schlingenheber liegende Walzgerüst wirkt.

Der primäre Eingriff auf den Zug im Walzgut erfolgt durch die Steuerung des Drehmoments des Schlingenhebers, wobei diese Steuerung am besten quasistatisch arbeitet. Die Schlingenregelung hat daher die Aufgabe, die Schlingen möglichst ruhig zu halten, wozu Bandvorratsstörungen über die Drehzahlen der Walzgerüste möglichst schnell ausgeregelt werden müssen. Außerdem muß der Bandvorrat in der Nähe eines Sollwertes gehalten werden, damit die mechanischen Randbedingungen für die Gerüste, die Schlingenheber und das Walzgut erhalten bleiben.

Für die Schlingenregelung zwischen einem Walzgerüst und dem Folgegerüst bedeutet eine Störung des Bandvorrates eine Veränderung der ausgeglichenen Geschwindigkeitsbilanz zwischen der Auslaufgeschwindigkeit des Walzgutes aus dem Walzgerüst und der Einlaufgeschwindigkeit in das Folgegerüst. Zu dieser Geschwindigkeitsbilanz tragen die jeweiligen Walzenumfangsgeschwindigkeiten der beiden Gerüste, die in das Folgegerüst einlaufende und aus dem Folgegerüst auslaufende Walzgutdicke sowie die zugabhängigen Voreilfaktoren an beiden Gerüsten bei, wobei von diesen sechs Größen nur die Walzenumfangsgeschwindigkeiten problemlos gemessen und somit auch geregelt werden können.

Die Ursachen für Störungen des Bandvorrates sind miteinander gekoppelt und sehr komplex, wie z. B. die unbekannte und ungleichmäßige Temperaturverteilung über das Walzgut. Allen Störungen ist jedoch gemeinsam, daß sie nicht sprunghaft, sondern rampenförmig, wenn auch mit unterschiedlichen Steilheiten, auftreten.

Die bekannte Schlingenregelung mit einem PI-Lageregler zur Regelung der Schlingenlage kann nur sprungförmige Störungen des Bandvorrates vollständig ausregeln. Bei rampenförmigen Störungen bleibt eine stationäre Regelabweichung zurück, die mit der Steilheit der Störung zunimmt. Dies ist in einem gewissen Rahmen tolerierbar, da es in erster Linie nicht unbedingt erforderlich ist, den Sollwert für den Bandvorrat einzuhalten. Für Störungen, die in ihrem rampenförmigen Verlauf eine gewisse Steilheit überschreiten, ist jedoch eine Schlingenregelung ohne verbleibende stationäre Regelabweichung wünschenswert, weil die Regelabweichung nur so noch kleingehalten werden kann, d. h. der Bandvorrat in der Nähe des Sollwertes gehalten werden kann und damit die mechanischen Randbedingungen für die Gerüste, die Schlingengeber und das Walzgut erhalten bleiben.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art bleibende Regelabweichungen auszuregeln und die Regeldynamik zu verbessern.

Zur Lösung der angegebenen Probleme ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß bei der Vorrichtung der eingangs angegebenen Art dem Regelkreis des Lagereglers ein Geschwindigkeitsregler zur Regelung der Lageänderungsgeschwindigkeit der Schlinge unterlagert ist. Der Vorteil dieser zweischleifigen Schlingenregelung liegt darin, daß eine Soll-Ist-Bilanz für die Änderungsgeschwindigkeit des Bandvorrats gebildet wird, so daß auf diese Weise Störungen des Bandvorrates effektiv ausgeregelt werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verbesserung der Regelungsdynamik, weil Störungen bereits von dem Regler des inneren Geschwindigkeitsregelkreises erkannt werden und von diesem selbst ohne Zutun des äußeren Lagereglers ausgeregelt werden können.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Der Lageregler enthält vorzugsweise ein nichtlineares Übertragungsglied, dessen Übertragungsverhalten zwischen dem Ausgang und dem Eingang einer Wurzelfunktion angenähert ist. Dadurch wird unter Berücksichtigung des physikalischen Verhaltens träger Massen und daraus resultierenden maximal möglichen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen bzw. Verzögerungen eine zeitoptimale, d. h. schnellstmögliche, Einstellung der Schlingenregelung am Arbeitspunkt erreicht. Um sowohl die Kleinsignal- als auch die Großsignalverstärkung des Übertragungsglieds zu begrenzen, ist vorzugsweise die Wurzelfunktion im Bereich ihrer größten Steigung durch eine Gerade mit vorgegebener maximaler Steigung angenähert und das Ausgangssignal des Übertragungsglieds betragsmäßig begrenzt.

Der Lageregler und der Geschwindigkeitsregler weisen vorzugsweise integrierendes Verhalten auf, so daß sich eine Schlingenregelung ergibt, bei der rampenförmige Störungen ohne bleibende Regelabweichung ausgeregelt werden.

Für die Bereitstellung der Istwerte für die Schlingenregelung ist vorzugsweise dem Schlingenheber eine Auswerteeinrichtung nachgeordnet, die aus der jeweiligen Stellung des Schlingenhebers den momentanen Bandvorrat ermittelt, wobei der ermittelte Bandvorrat als Istwert dem Lageregler und die zeitliche Ableitung des Bandvorrates als Istwert dem Geschwindigkeitsregler zugeführt wird.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine Übersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Drehzahlregelung in einer schlingengeregelten Walzstraße,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Schlingenregelung und einem Drehzahlregler,

Fig. 3 das Blockschaltbild einer alternativen Ausführung der Schlingenregelung mit einem nichtlinearen Übertragungsglied und

Fig. 4 ein Beispiel für das Übertragungsverhalten des nichtlinearen Übertragungsgliedes.

Fig. 1 zeigt zwei aufeinanderfolgende Walzgerüste i und i+1 einer mehrgerüstigen Walzstraße. Das durch die Walzstraße laufende Walzgut 2 ist zwischen den beiden Gerüsten i und i+1 über einen Schlingenheber 3 geführt und bildet dabei eine Schlinge 4. Das Ausgangssignal α des Schlingenhebers 3 bestimmt die Länge der Schlinge 4 und damit den sogenannten Bandvorrat, der sich aus der Differenz zwischen der Länge der Schlinge 4 und der direkten Verbindung 5 zwischen den beiden Walzgerüsten i und i+1 ergibt. Der Auslenkwinkel α des Schlingenhebers 3 wird unmittelbar gemessen und in einer Auswerteeinrichtung 6 in Abhängigkeit von den Abstandsverhältnissen zwischen dem Schlingenheber 3 und den Gerüsten i und i+l sowie der Hebelarmlänge des Schlingenhebers 3 in den jeweils aktuellen Istwert s des Bandvorrates umgerechnet. Dieser Istwert s wird zusammen mit einem Sollwert s* für den Bandvorrat einem Schlingenregler 7 zugeführt, der ausgangsseitig einen Korrektur-Drehzahlsollwert dn* erzeugt. Dieser Korrektur-Drehzahlsollwert dn* wird einem Drehzahlregler 8 zugeführt, der die Walzendrehzahlen des Gerüstes i regelt und dem außerdem ein Drehzahlsollwert n* für dieses Gerüst i, der Drehzahlistwert n und ein Drehzahlzusatzsollwert n*z zugeführt wird. Der Drehzahlzusatzsollwert n*z wird auch allen anderen Gerüsten der Walzstraße zugeführt und dient zur Einstellung des allgemeinen Geschwindigkeitsniveaus in der Walzstraße.

Mit dem Schlingenregler 7 soll der Bandvorrat s auf den Sollwert s* geregelt und dort konstant gehalten werden. Dabei bedeutet eine Störung des Bandvorrates eine Veränderung der auf dem Gesetz über den konstanten Massenfluß beruhenden ausgeglichenen Geschwindigkeitsbilanz zwischen der Auslaufgeschwindigkeit des Walzgutes aus dem Walzgerüst i und der Einlaufgeschwindigkeit in das Folgegerüst i+1. Zu dieser Geschwindigkeitsbilanz tragen die jeweiligen Walzenumfangsgeschwindigkeiten vi, vi+1 der beiden Gerüste i und i+1, die in das Folgegerüst i+1 nach einer Schlingenlaufzeit TL einlaufende und aus diesem auslaufende Walzgutdicke hi bzw. hi+1 sowie die zugabhängigen Voreilfaktoren fi und fi+1 an beiden Gerüsten i und i+1 bei, so daß für die ausgeglichene, d. h. ungestörte, Geschwindigkeitsbilanz gilt



In Fig. 2 ist die von den Gerüsten i und i+1, der Schlinge 4 und dem Schlingenheber 3 gebildete Regelstrecke mit 9 bezeichnet. Als Eingangsgröße wird der Regelstrecke 9 das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 8 zugeführt. Die Regelstrecke 9 ist Störungen St ausgesetzt und erzeugt als Ausgangsgröße den Auslenkwinkel α des Schlingenhebers 3. Der Drehzahlregler 8 erhält eingangsseitig neben dem Drehzahlistwert n, dem Drehzahlsollwert n* und dem Drehzahlzusatzsollwert n*z von dem Schlingenregler 7 den Korrektur-Drehzahlsollwert dn*. Der Schlingenregler 7 enthält einen Lageregler 10 zur Regelung der Schlingenlage und damit des Bandvorrates sowie einen Geschwindigkeitsregler 11 zur Regelung der Lageänderungsgeschwindigkeit der Schlinge 4, also der Bandvorratsänderungsgeschwindigkeit. Dazu erhält der Lageregler 10 an seinem Eingang die in einem Subtrahierglied 12 gebildete Regeldifferenz zwischen dem Sollwert s* und dem Istwert s des Bandvorrates. Der Sollwert s* wird dem Subtrahierglied 12 über eine Einrichtung 20 zur Begrenzung des Anstiegs und des Betrags des Sollwertes s* zugeführt. Der Istwert s wird in der dem Schlingenheber 3 nachgeordneten Auswerteeinrichtung 6 aus dem Auslenkwinkel α berechnet. Der Lageregler 10 erzeugt an seinem Ausgang einen Sollwert s&min;* für die Bandvorratsänderungsgeschwindigkeit, von dem in einem weiteren Subtrahierglied 13 der entsprechende Istwert s&min; subtrahiert wird. Die so erhaltene Regeldifferenz wird dem Geschwindigkeitsregler 11 zugeführt, der an seinem Ausgang den Korrektur-Drehzahlsollwert dn* für den Drehzahlregler 8 erzeugt. Der Istwert s&min; für die Bandvorratsänderungsgeschwindigkeit wird in einem Differenzierglied 14 erzeugt, das die zeitliche Ableitung des von der Auswerteeinrichtung 6 gelieferten Bandvorrats-Istwerts s bildet. Wie gestrichelt angedeutet ist, kann zur Erzeugung des Istwertes s&min; alternativ der Auslenkwinkel α in einem weiteren Differenzierglied 15 zunächst differenziert und dann in einer weiteren Auswerteeinrichtung 16 in den Istwert s&min; umgerechnet werden. Die beiden Regler 10 und 11 sind jeweils als PI-Regler ausgebildet, wobei der Ausgang des Lagereglers 10 zusätzlich begrenzt ist.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausführung für den Schlingenregler 7, wobei im Unterschied zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Lageregler 10 zur Erzeugung des P-Anteils sp&min;* des Ausgangssignals s&min;* die Regelabweichung s*-s nicht mit einem konstanten Faktor multipliziert, sondern hierzu ein nichtlineares Übertragungsglied 17 aufweist. Zur Erzeugung des I-Anteils wird das Ausgangssignal des Übertragungsgliedes 17 einem Integrierer 18 zugeführt, dessen Ausgangssignal in einem Summierpunkt 19 zu dem Ausgangssignal des Übertragungsgliedes 17 hinzuaddiert wird und dabei den Sollwert s&min;* für die Bandvorratsänderungsgeschwindigkeit bildet. Sowohl die Ausgangssignale des Übertragungsgliedes 17, des Integrierers 18 als auch des Summierpunktes 19 sind jeweils begrenzt; außerdem ist das Eingangssignal des Integrierers 18 begrenzt, wobei hier anstelle des Begrenzers auch ein Schalter vorgesehen werden kann.

Wie Fig. 4 zeigt, ist die Übertragungsfunktion des Übertragungsgliedes 17 der Wurzelfunktion



angenähert, wobei die Annäherung im Bereich der maximalen Steigung der Wurzelfunktion durch eine Gerade mit vorgegebener maximaler Steigung erfolgt und im übrigen der Betrag des Ausgangssignals des Übertragungsgliedes 17 begrenzt ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zur Drehzahlregelung in einer schlingengeregelten Walzstraße, in der das Walzgut (2) über Schlingenheber (3) zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Walzgerüsten (i, i+1) in Schlingen (4) geführt ist, mit jeweils einem Lageregler (10) zur Regelung der Schlingenlage, der auf einen Drehzahlregler (8) für das jeweils zugeordnete Walzgerüst (i) wirkt, dadurch gekennzeichnet, dem Regelkreis des Lagereglers (10) ein Geschwindigkeitsregler (11) zur Regelung der Lageänderungsgeschwindigkeit der Schlinge (4) unterlagert ist.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregler (10) ein nichtlineares Übertragungsglied (17) enthält, dessen Übertragungsverhalten einer Wurzelfunktion angenähert ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wurzelfunktion im Bereich ihrer größten Steigung durch eine Gerade mit vorgegebener maximaler Steigung angenähert ist und daß das Ausgangssignal des Übertragungsgliedes (17) betragsmäßig begrenzt ist.
  4. 4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lageregler (10) und der Geschwindigkeitsregler (11) integrierendes Verhalten aufweisen.
  5. 5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlingenheber (3) eine Auswerteeinrichtung (6) nachgeordnet ist, die aus der jeweiligen Stellung (α) des Schlingenhebers (3) den momentanen Bandvorrat ermittelt, und daß der ermittelte Bandvorrat als Istwert (s) dem Lageregler (10) zugeführt wird.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Ableitung des Bandvorrates als Istwert (s&min;) dem Geschwindigkeitsregler (11) zugeführt wird.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schlingenheber (3) eine weitere Auswerteeinrichtung (16) nachgeordnet ist, die aus Änderungen der Stellung (α) des Schlingenhebers (3) die Bandvorratsänderungsgeschwindigkeit ermittelt, die als Istwert (s&min;) dem Geschwindigkeitsregler (11) zugeführt wird.






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